Tren Poly(Methyl Methacrylate) Biomaterial untuk Dental Prosthodontics

abstrak.

Rehabilitasi fungsi pengunyahan pada pasien dengan gigi yang tidak ada dengan gigi palsu yang dapat dilepas adalah bentuk perawatan gigi tiruan sebagian atau lengkap pada pasien edentulous. Perkembangan dalam beberapa dekade terakhir dengan implan gigi mendominasi penelitian gigi saat ini. Namun, kontraindikasi medis, sikap negatif terhadap implan, atau keterbatasan keuangan pada bagian pasien membatasi penerapan universal mereka, sehingga rehabilitasi dengan prostesis gigi masih merupakan bagian penting dari praktik klinis sehari-hari. Sebaliknya, gigi palsu yang bisa dilepas digunakan dalam kondisi kritis rongga mulut.

Ada sekitar 500 jenis mikroorganisme di mulut, yang membentuk biofilm dalam lingkungan asam yang menyebabkan beberapa masalah, seperti stomatitis gigitiruan, penurunan status periodontal gigi yang tersisa, atau lesi karies pada gigi pendukung. Karena itu, sangat penting untuk memilih bahan yang cocok untuk protesa. Poli (metil metakrilat) (PMMA) adalah resin akrilik yang biasanya digunakan dengan tradisi panjang untuk keperluan prostetik. Tujuan bab ini adalah untuk menyajikan tren untuk pemrosesan PMMA. Ini mencakup sintesis kimia, pemrosesan termal konvensional dari resin akrilik ini, teknik pemrosesan baru yang dibantu dengan ultrasound, efek antibakteri pada PMMA dengan nanopartikel, dan sitotoksisitas, genotoksisitas, dan mutagenesis dari bahan ini.

Latar belakang

Perkembangan dinamis dari bidang multidisiplin baru memiliki dampak langsung terhadap kemungkinan perawatan dan rehabilitasi fungsi gigi. Rehabilitasi gigi dengan protesa gigitiruan yang dapat dilepas adalah bentuk perawatan gigi tiruan sebagian dan lengkap pada pasien edentulous [1]. Perkembangan dalam beberapa dekade terakhir dengan implan gigi mendominasi penelitian gigi saat ini, tidak hanya kontraindikasi medis tetapi juga sikap negatif terhadap implan [2] dan keterbatasan ekonomi [3] adalah kelemahan utama untuk penerapan universal mereka, sehingga rehabilitasi dengan prostesis gigi masih merupakan bagian penting dari praktik klinis sehari-hari [4].

Bahan PMMA merevolusi teknik persiapan yang digunakan sejauh ini sejak Walter Wright memperkenalkan resin akrilik sebagai bahan dasar gigitiruan pada tahun 1937 [5]. Resin akrilik menjadi bahan yang disukai untuk membuat basis gigitiruan, karena kemampuannya untuk mengatasi banyak kekurangan bahan yang digunakan pada waktu itu [6].

Sebaliknya, gigi palsu yang bisa dilepas digunakan dalam kondisi kritis rongga mulut. Ada sekitar 500 mikroorganisme di mulut, yang menghasilkan biofilm dalam lingkungan asam yang menyebabkan beberapa penyakit [7], seperti stomatitis gigitiruan [8], kemunduran status periodontal gigi yang tersisa [9], atau lesi karies pada abutment. gigi [10]. Karena itu, sangat penting untuk memilih bahan yang cocok untuk protesa gigi.

Poli (metil metakrilat) (PMMA) adalah resin akrilik yang biasanya digunakan dengan tradisi panjang untuk keperluan prostetik [11]. Ini dapat diklasifikasikan sebagai bahan terpolimerisasi secara kimia atau termal tergantung pada faktor-faktor yang memulai reaksi. Untuk protesa gigi, bahan yang dipolimerisasi secara termal digunakan dan panas dapat dihasilkan oleh penangas air panas atau energi gelombang mikro [12]. Disarankan bahwa konsentrasi monomer residual adalah parameter yang paling penting dalam penentuan sifat akhir PMMA untuk prostesis gigi [12, 13]. Ditemukan bahwa dalam struktur kimia PMMA, gugus alfa metil cenderung tetap berada di permukaan lapisan luar, sedangkan gugus metilen berada di lapisan dalam permukaan PMMA, yang memberikan gambaran tentang susunan polimer [13 ] Dengan kata lain, PMMA telah menunjukkan sitotoksisitas sedang dalam material curah dan bentuk terpolimerisasi [14, 15].

Tujuan bahasan ini adalah untuk menyajikan tren untuk pemrosesan PMMA, termasuk sintesis kimia, pemrosesan konvensional (polimerisasi termal), teknik baru polimerisasi termal yang dibantu dengan ultrasound, efek antibakteri pada PMMA dengan nanopartikel, dan biokompatibilitas (sitotoksisitas , genotoksisitas, dan mutagenesis).

2. Poli (metil metakrilat) (PMMA): sintesis, morfologi, dan sifat fisik
Asam akrilat (C3H4O2) memunculkan apa yang disebut akrilik, di mana poli (metil metakrilat) (PMMA) adalah termoplastik paling penting dalam kelompok ini, yang secara komersial dikenal sebagai Plexiglas, Lucite, dan Perspex [16].

PMMA adalah polimer amorf yang dibentuk oleh polimerisasi monomer MMA yang dilakukan menggunakan mekanisme berbeda [polimerisasi vinil radikal bebas, polimerisasi anionik, polimerisasi transfer kelompok (GTP), atau polimerisasi radikal transfer atom (ATRP)] [16-20]. Massal atau solusi (polimerisasi homogen) dan teknik emulsi atau suspensi (polimerisasi heterogen) digunakan untuk memperoleh PMMA [18, 20-22]. Di antara mereka, polimerisasi suspensi adalah rute yang baik untuk menghasilkan PMMA dengan berat molekul tinggi (36.100), hasil tinggi (83%), dan polidispersitas 2,4 (indeks polidispersitas: Mw / Mn) [18].

2.1. Polimerisasi suspensi
Hoffman dan Delbruch mengembangkan polimerisasi suspensi pada tahun 1909 untuk pertama kalinya [23]. Dalam teknik ini, inisiator dan monomer saling larut (Gambar 1) dan melibatkan pembentukan tetesan oleh inisiator / monomer (fase polimerisasi) yang disebarkan ke dalam air (sistem minyak / air), di mana rasio volume monomer sekitar 0,5 atau kurang disarankan [22]. Air berfungsi sebagai zat pemindah panas dan media dispersi, yang meningkatkan laju reaksi dan hasil dalam fase polimerisasi. Untuk mencegah pengendapan atau pengerasan, polimerisasi suspensi tetap diaduk selama polimerisasi. Dalam polimerisasi ini, penambahan zat penstabil yang larut dalam air [turunan gelatin, tanah liat atau tanah liat, turunan selulosa, polimer yang larut dalam air seperti poli (vinil alkohol) (PVA) atau pati] membantu mencegah pecahnya tetesan atau menghindari tetesan dari saling menempel [20-22, 24]. Proses ini dapat dibantu dengan suhu rendah atau gelombang ultrasonik [20, 24-27].





Gambar 1. Polimerisasi suspensi dari monomer MMA. Pada langkah pertama, inisiator, benzoil peroksida berinteraksi dengan monomer dalam air untuk membentuk minyak emulsi / air, di mana volume airnya dua kali lipat volume monomer. Penstabil air yang larut membantu mendapatkan mikropartikel bola ukuran yang halus dan terkontrol.

2.1.1. Mikropartikel bulat: efek zat penstabil pada ukuran

Suspensi polimerisasi secara teknis memadai untuk memperoleh mikropartikel bola PMMA dengan ukuran terkontrol mulai dari 5 hingga 1000 μm [22]. Stabilizer alginat menghasilkan mikropartikel dari 5 hingga 80 μm (Gambar 2a), sedangkan mikropartikel di bawah 30 μm diperoleh dengan penstabil gelatin (Gambar 2b) seperti yang dilaporkan sebelumnya [24-26]. Ukuran ini berada dalam kisaran PMMA komersial (10 hingga 100 μm) yang digunakan untuk prostodontik (Gambar 2c dan d). Oleh karena itu, partikel polidisperse dapat mempengaruhi kekasaran permukaan PMMA tanpa mempengaruhi sifat mekaniknya [28].

Gambar 2.
Mikropartikel PMMA eksperimental diperoleh dengan polimerisasi suspensi dengan (a) alginat atau (b) zat penstabil gelatin. Mikropartikel PMMA komersial: (c) Opticryl®, (d) Lucitone® digunakan untuk prostodontik.













2.2. Properti fisik
PMMA memiliki karakteristik dan sifat yang berbeda, seperti stabilitas kimia, kekerasan, kekakuan dan transparansi yang tinggi, ketahanan dalam kondisi atmosfer dan resistensi dampak yang lebih besar daripada kaca, dan isolasi termal dan akustik. Tabel 1 menunjukkan sifat fisik PMMA [17, 29].

Gambar 3. Properti poli (metil metakrilat) [17, 29]

Properti ini penting untuk aplikasi akhir, seperti perangkat optik, jendela pesawat, lensa, penutup, lampu belakang otomotif, artikel gigi, dan bioteknologi [29]. Juga, PMMA adalah bahan yang banyak digunakan sehari-hari dalam praktek gigi, seperti prosthesis gigi untuk pasien edentulous [24, 26]. Untuk aplikasi khusus ini, PMMA (resin akrilik eksperimental atau komersial) harus diproses oleh panas, yang dapat dihasilkan oleh bak air panas atau energi gelombang mikro [12].

3. Pemrosesan polimerisasi termal PMMA

Basis gigitiruan yang terbuat dari resin PMMA akrilik, yang bersentuhan dengan mukosa oral pasien adalah aspek penting untuk biokompatibilitas dalam kontak dengan jaringan. Resin PMMA dipilih karena teknik pemrosesan memadai yang penting ini [14]. Polimerisasi PMMA oleh water bath dan microwave adalah teknik pemrosesan yang paling umum digunakan untuk membuat basis gigitiruan [12]. Teknik water bath dan microwave polimerisasi menghasilkan material dengan porositas dan penyimpangan yang berkurang pada permukaan PMMA. Independen dari metode pemrosesan, permukaan PMMA menunjukkan beberapa cacat (pori-pori, retak, dan penyimpangan) yang diproduksi pada saat elaborasi [30, 31]. Cacat ini dapat menjadi reservoir yang sangat baik untuk jamur dan bakteri oportunistik, selain menurunkan modulus elastis dan kekuatan lentur [12, 13, 32].

Selama bertahun-tahun, teknik pengolahan bak air telah banyak digunakan karena kemudahan penanganan dan efektivitas biaya. Namun, kandungan monomer residu dan porositas telah disarankan sebagai alasan paling signifikan untuk mengurangi kekuatan lentur [33]. Telah diperhitungkan gradien termal yang tidak menguntungkan yang dihasilkan selama teknik pemrosesan. Dalam teknik pemrosesan penangas air, benzoil peroksida (inisiator) diaktifkan dengan memanaskan air ke suhu yang sangat tinggi, yang memimpin reaksi polimerisasi dengan menghubungkan gugus metil metakrilat. Pada titik ini, partikel metil metakrilat mulai mendidih dengan menciptakan porositas dalam resin basis gigitiruan [34]. Saat reaksi berlangsung, panas dibebaskan dan tidak bisa lepas dengan mudah saat air di sekitar labu juga dipanaskan. Dengan demikian, gradien termal yang tidak menguntungkan telah dibuat [35]. Monomer residu di dalam massa polimer dapat secara negatif mempengaruhi sifat fisik dan mekanis dari bahan karena aksi plastisisasi [36]. Di sisi lain, selama polimerisasi gelombang mikro, molekul monomer bergerak dalam medan elektromagnetik frekuensi tinggi [37]. Gelombang mikro menyebabkan molekul metil metakrilat dalam resin akrilik untuk mengarahkan diri mereka sendiri di bidang elektromagnetik pada frekuensi 2450 MHz [38], dan banyak molekul terpolarisasi dibalik dengan cepat dan menghasilkan panas karena gesekan molekul [39]. Banyak tumbukan antarmolekul yang dipromosikan, menyebabkan pemanasan internal yang cepat di mana energi segera diserap oleh resin terlepas dari konduktivitas termal dari bahan yang terlibat dalam pemrosesan prostesis [40]. Pemanasan ini terjadi secara cepat dan homogen sehingga transfer panas dari water bath ke resin di dalam labu terjadi lebih cepat dalam metode ini [41].

Ada beberapa penelitian untuk membandingkan kekuatan lentur dan nilai modulus elastis PMMA menggunakan bak air dan polimerisasi microwave [13, 35, 36, 41-43]. Dalam kebanyakan kasus, hasil polimerisasi microwave tidak berbeda dari yang diperoleh dengan water bath, terlepas dari resin akrilik yang digunakan [41, 43]. Namun, dalam beberapa penelitian, teknik water bath menunjukkan kekuatan lentur yang lebih tinggi daripada teknik pemrosesan gelombang mikro [44]. Sebaliknya, dalam penelitian lain, kekuatan lentur yang secara statistik lebih tinggi ditemukan untuk resin gigitiruan yang diproses dengan microwave [45, 46]. Peneliti lain tidak menemukan perbedaan signifikan dalam porositas antara polimerisasi gelombang mikro dan siklus penangas air konvensional [39, 47, 48]. Sebaliknya, penelitian lain melaporkan bahwa teknik polimerisasi panas memberikan nilai porositas rata-rata yang lebih rendah daripada metode polimerisasi microwave [31]. Kedua teknik pemrosesan menghasilkan bahan PMMA dengan sifat yang berbeda. Oleh karena itu, teknik pemrosesan baru untuk PMMA diperlukan untuk mengurangi jumlah sisa monomer dan porositas dan untuk meningkatkan kekuatan fisiknya

Dalam penelitian sebelumnya, Charasseangpaisarn dan Wiwatwarrapan [49, 54] menemukan bahwa penggunaan perawatan ultrasonik pada beberapa frekuensi mengurangi keberadaan monomer residu dalam resin akrilik. Sebagai contoh, MMA terpolimerisasi panas dengan perendaman dalam air pada 50 ° C selama 10 menit pada 40 kHz mengurangi monomer residu. Mereka telah menyimpulkan bahwa sonication dapat mengurangi jumlah monomer residu dalam resin akrilik. Menurut penulis, perawatan ultrasonik dapat meningkatkan laju ekstraksi monomer residu dari resin dan dapat menyebabkan postpolimerisasi monomer residual.

3.1.1. Pengaruh frekuensi dan kekuatan gelombang ultrasonik pada kekuatan lentur dan modulus elastis

Metode pemrosesan gigitiruan berhubungan langsung dengan sifat fisik resin akrilik. Salah satu sifat tersebut adalah modulus Young, juga dikenal sebagai modulus elastis. Yang didefinisikan sebagai kapasitas tubuh untuk berubah bentuk dengan penerapan stres dan ketegangan setelah melepas tubuh pulih bentuk aslinya. Dapat diasumsikan bahwa hubungan antara peningkatan upaya dan peningkatan deformasi adalah konstan [55]. Kegagalan lentur dari basis gigitiruan PMMA dianggap sebagai bentuk utama dari kegagalan klinis [56]. Prostesis gigi mengalami berbagai kondisi seperti kekuatan selama mengunyah, perubahan suhu dan kelembaban yang drastis, dan lingkungan asam di dalam rongga mulut. Oleh karena itu, penting bahwa bahan prostetik memiliki modulus elastisitas yang memadai [42]. Modulus elastis dapat ditentukan dengan teknik indentasi. Namun, penggunaan teknik ini dengan benar membutuhkan mengetahui keterbatasan mereka untuk menghindari salah tafsir.

Hasil eksperimental tentang modulus elastis dan kekuatan lentur (ISO20795-1: 2008 Bagian 1: Polimer dasar gigitiruan) dari resin akrilik komersial (Opticryl®) menunjukkan bahwa termopolimerisasi yang dibantu dengan ultrasound adalah pilihan yang baik untuk pemrosesan PMMA. Spesimen resin akrilik komersial (Opticryl®) (n = 25) disiapkan sesuai dengan lembar teknis dengan rasio volume monomer terhadap polimer (1: 6). Untuk kondisi pemrosesan oleh gelombang ultrasonik, dua frekuensi dan kekuatan digunakan pada 80 ° C penangas air selama 1 jam: 37 atau 80 kHz dan 50 atau 100%, masing-masing, untuk mendapatkan empat kelompok eksperimen (Tabel 2). Pemandian air dan pemrosesan teknis gelombang mikro dianggap sebagai kelompok kontrol. Hasil modulus elastis dan kekuatan lentur diberikan pada Gambar 3 dan Tabel 2.

Tabel 2. Modulus elastis dan kekuatan lentur spesimen diproses oleh USG pada 80 ° C: 37 atau 80 kHz dan 50 atau 100% daya di bawah suhu air konstan (80 ° C).

Gambar 3. Hasil modulus elastis dan kekuatan lentur resin Opticryl komersial dipolimerisasi oleh ultrasound. Kelompok kontrol diproses oleh penangas air dan energi gelombang mikro.

Untuk perbandingan statistik antara kelompok, uji Kruskal-Wallis dan Mann-Whitney U-test digunakan untuk menganalisis data. Tes ini digunakan karena tidak semua kelompok memiliki distribusi normal seperti yang ditunjukkan oleh uji normalitas Shapiro-Wilk (lihat Tabel 3).

Tabel 3. Hasil uji normalitas Shapiro-Wilk.

* Data mengikuti distribusi normal jika p ≥ 0,05.